本發(fā)明提供了一種離子推力器羽流區(qū)域離子速度分布測量裝置，屬于粒子測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

國際上主流電推進(jìn)技術(shù)絕大多數(shù)都是基于等離子體產(chǎn)生和加速的物理過程，電推進(jìn)系統(tǒng)的等離子體研究主要包括推力器放電室內(nèi)等離子體的產(chǎn)生、碰撞、輸運(yùn)等過程研究和推力器羽流等離子體研究。推力器羽流區(qū)域等離子體運(yùn)動特性對于推力器優(yōu)化設(shè)計、效率提升、數(shù)值模型的建立等具有關(guān)鍵性意義，獲取羽流區(qū)域離子和中性原子的運(yùn)動機(jī)理對解決上述問題是一個十分有效地手段。

朗繆爾探針診斷作為等離子體診斷最基本的方法，能夠測出等離子體密度、電子溫度、懸浮電位等基本參數(shù)。但它無法測量離子和中性原子的速度分布。而且作為實體對等離子體的侵入，探針不可避免地會對等離子體產(chǎn)生干擾。而光譜診斷作為一種非侵入式診斷方法，是測量等離子體性質(zhì)的重要方法。

當(dāng)前所使用的激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是一種高靈敏度、高選擇性的診斷測量手段，利用激光誘導(dǎo)熒光裝置可以測量中性原子和離子的速度分布函數(shù)。利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)可以實現(xiàn)高分辨率的速度測量，即使在很低的信噪比環(huán)境下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種離子推力器羽流區(qū)域離子速度分布測量裝置，克服現(xiàn)有靜電探針的局限性，提供一種非接觸、高分辨率、高選擇性的推力器羽流區(qū)域粒子速度分布測量方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種離子推力器羽流區(qū)域粒子速度分布測量系統(tǒng)包括光信號產(chǎn)生與傳輸單元、光信號探測單元和數(shù)據(jù)采集與控制單元。

光信號產(chǎn)生與傳輸單元產(chǎn)生激光，將一部分光束傳輸?shù)讲ㄩL計、功率計、f-p干涉儀等激光監(jiān)控單元，將另一部分作為主激光束傳輸至真空室內(nèi)的光信號探測單元。

光信號探測單元處于真空室內(nèi)，包括二維移動機(jī)構(gòu)、軸向激光入射設(shè)備、屏蔽片、熒光探測設(shè)備以及徑向激光入射設(shè)備。

推力器安裝于二維移動機(jī)構(gòu)上；二維移動機(jī)構(gòu)帶動推力器在軸向和徑向進(jìn)行移動；推力器工作形成羽流區(qū)域，在羽流區(qū)域中預(yù)先選定一個探測點；軸向激光入射設(shè)備設(shè)置于推力器目標(biāo)探測點所在軸向，其前端為激光接收端、后端為聚焦準(zhǔn)直端，其中激光接收端接收光纖導(dǎo)入的激光束，聚焦準(zhǔn)直端將激光聚焦到探測點區(qū)域，以激發(fā)探測點處的粒子，從而測量待測點的軸向粒子速度。

徑向激光入射設(shè)備設(shè)置于離子推力器目標(biāo)探測點所在徑向，徑向激光入射設(shè)備包括激光接收端和聚焦準(zhǔn)直端，激光接收端接收光纖導(dǎo)入的激光束，聚焦準(zhǔn)直端將激光聚焦到探測點區(qū)域，以激發(fā)探測點處的粒子，從而測量獲得待測點的徑向粒子速度。

熒光探測設(shè)備包括探測部和光纖耦合部，其中探測部對探測點出激發(fā)的熒光進(jìn)行采集，光纖耦合部將探測部采集到的熒光信號耦合到光纖中并導(dǎo)出到真空室外部的數(shù)據(jù)采集與控制單元中。

數(shù)據(jù)采集與控制單元對熒光信號進(jìn)行處理，同時對光信號產(chǎn)生與傳輸單元進(jìn)行控制。

進(jìn)一步地，光信號產(chǎn)生與傳輸單元中包括半導(dǎo)體激光器、斬波器以及光纖。

其中半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，主激光束進(jìn)入斬波器。

斬波器將主激光束調(diào)制到預(yù)設(shè)的頻率后，將主激光束通過光纖引入到真空室。

進(jìn)一步地，光信號產(chǎn)生與傳輸單元同時對激光信號進(jìn)行波長、功率以及激光模式的測量；則光信號產(chǎn)生與傳輸單元中還包括分束器、波長計、功率計以及f-p干涉儀。

其中半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，激光器發(fā)出的激光進(jìn)入分束器。

分束器將激光分成四束分激光，其中第一束分激光進(jìn)入波長計進(jìn)行波長測量；第二束分激光進(jìn)入功率計進(jìn)行功率測量；第三束分激光進(jìn)入f-p干涉儀進(jìn)行激光模式測量；第四束分激光作為主激光束進(jìn)入斬波器。

進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)采集與控制單元包括順次相連的單色儀、光電倍增管、鎖相放大器以及計算機(jī)；

單色儀接收熒光信號，之后進(jìn)入光電倍增管。

光電倍增管對熒光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號放大，形成電信號。

鎖相放大器工作在斬波頻率，用于將熒光信號與等離子體的干擾信號分離，得到有效熒光信號進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行處理。

進(jìn)一步地，計算機(jī)對有效熒光信號的處理包括對熒光信號的分析和界面顯示。

有益效果：

1本系統(tǒng)中，采用光譜對粒子的速度分布進(jìn)行測量實現(xiàn)了非接觸測量，避免了靜電探針對等離子體的干擾；

使用本系統(tǒng)進(jìn)行離子推力器羽流區(qū)域粒子速度的測量時，可以隨意選取測量點，均能實現(xiàn)對測量點處粒子速度的測量，由此可實現(xiàn)對羽流區(qū)域粒子速度的分布測量。

2本系統(tǒng)具有很高的時間分辨率和空間分辨率，二維移動機(jī)構(gòu)的精度能夠保證一定的空間分辨率；

3本系統(tǒng)具有高選擇性，只針對特定粒子的特征譜線進(jìn)行測量，激光器發(fā)出的波長覆蓋被測粒子特征譜線，因此其他譜線的粒子不會被激發(fā)；

4本系統(tǒng)可以直接或間接得到粒子的速度分布函數(shù)vdf、速度矢量分布、溫度分布、電場特性等相關(guān)等離子體參數(shù)信息；

5本系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)靜電探針的不足，能夠獲取更豐富的羽流區(qū)域等離子體信息，對于系統(tǒng)理解推力器工作機(jī)理、優(yōu)化推力器設(shè)計、新型推力器研制等具有關(guān)鍵性的指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1為光信號產(chǎn)生與傳輸單元示意圖；

圖2為光信號探測單元示意圖；

圖3為數(shù)據(jù)采集與控制單元示意圖。

1激光器；2分束器；3波長計；4功率計；5f-p干涉儀；6斬波器；7光纖；8真空室；9二維移動機(jī)構(gòu)；10推力器；11軸向激光入射裝置；12屏蔽片；13熒光探測裝置；14羽流區(qū)域；15徑向激光入射裝置；16測量點；17熒光信號；18單色儀；19光電倍增管；20鎖相放大器；21數(shù)據(jù)處理與控制軟件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

實施例1、一種離子推力器羽流區(qū)域粒子速度分布測量系統(tǒng)，包括光信號產(chǎn)生與傳輸單元、光信號探測單元和數(shù)據(jù)采集與控制單元。

所述光信號產(chǎn)生與傳輸單元處于真空室外部，產(chǎn)生激光并通過分束器將其分成四束，其中三束分別進(jìn)入波長計、功率計、f-p干涉儀，另一束通過斬波器和光纖進(jìn)入真空室，用于激發(fā)被測粒子。

光信號探測單元處于真空室內(nèi)，包括二維移動機(jī)構(gòu)9、軸向激光入射設(shè)備11、屏蔽片12、熒光探測設(shè)備13以及徑向激光入射設(shè)備15。

推力器10安裝于二維移動機(jī)構(gòu)9上。

二維移動機(jī)構(gòu)9帶動推力器10在軸向和徑向進(jìn)行移動。

推力器10工作形成羽流區(qū)域，在羽流區(qū)域中預(yù)先選定一個探測點16。

軸向激光入射設(shè)備11設(shè)置于所述推力器目標(biāo)探測點所處軸向，其前端為激光接收端、后端為聚焦準(zhǔn)直端，其中激光接收端接收光纖導(dǎo)入的激光束，聚焦準(zhǔn)直端將激光聚焦到所述羽流區(qū)域中預(yù)先選定的探測點16處，以激發(fā)探測點16處的粒子，從而測量所述待測點16的軸向粒子速度；

徑向激光入射設(shè)備15設(shè)置于所述離子推力器目標(biāo)探測點所處徑向，徑向激光入射設(shè)備15包括激光接收端和聚焦準(zhǔn)直端，所述激光接收端接收光纖導(dǎo)入的激光束，聚焦準(zhǔn)直端對所述激光束進(jìn)行聚焦準(zhǔn)直，以激發(fā)探測點16處的粒子，從而測量獲得所述待測點16的徑向粒子速度；

熒光探測設(shè)備13包括探測部和光纖耦合部，其中探測部對探測點16處激發(fā)的熒光進(jìn)行采集，光纖耦合部將探測部采集到的熒光信號耦合到光纖中并導(dǎo)出到真空室外部的數(shù)據(jù)采集與控制單元中；

數(shù)據(jù)采集與控制單元對所述熒光信號進(jìn)行處理，同時對所述光信號產(chǎn)生與傳輸單元進(jìn)行控制。

本實施例中，光信號產(chǎn)生與傳輸單元中包括半導(dǎo)體激光器1、斬波器6以及光纖7；

其中半導(dǎo)體激光器1發(fā)射激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，主激光束進(jìn)入斬波器；

斬波器6將主激光束調(diào)制到預(yù)設(shè)的頻率后，將主激光束通過光纖引入到真空室8；

本實施例中，光信號產(chǎn)生與傳輸單元同時對激光信號進(jìn)行波長、功率以及激光模式的測量；則光信號產(chǎn)生與傳輸單元中還包括分束器2、波長計3、功率計4以及f-p干涉儀5。

其中半導(dǎo)體激光器1發(fā)射激光，激光的波長覆蓋被測粒子特征譜線，激光器發(fā)出的激光進(jìn)入分束器2。

分束器2將激光分成四束分激光，其中第一束分激光進(jìn)入波長計3進(jìn)行波長測量；第二束分激光進(jìn)入功率計4進(jìn)行功率測量；第三束分激光進(jìn)入f-p干涉儀5進(jìn)行激光模式測量；第四束分激光作為主激光束進(jìn)入斬波器6。

本實施例中，數(shù)據(jù)采集與控制單元包括順次相連的單色儀18、光電倍增管19、鎖相放大器20以及計算機(jī)。

單色儀18接收熒光信號，之后進(jìn)入光電倍增管19。

光電倍增管19對熒光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號放大，形成電信號。

鎖相放大器20工作在斬波頻率，用于將熒光信號與等離子體的干擾信號分離，得到有效熒光信號進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行處理。

本實施例中，計算機(jī)對有效熒光信號的處理包括對熒光信號的分析和界面顯示。

綜上，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。